Vergleich von Transfer-Arc- und Non-Transfer-Arc-PREP-Geräten
IEinleitung
Das Plasma-Rotationselektrodenverfahren (PREP) ist derzeit eine der wichtigsten Technologien zur Herstellung hochwertiger kugelförmiger Metallpulver. Es bietet gegenüber anderen Pulverherstellungsverfahren unvergleichliche Vorteile bei der Herstellung kugelförmiger Metallpulver mit extrem niedrigem Sauerstoffgehalt. Die mit dieser Technologie hergestellten Metallpulver zeichnen sich durch eine hohe Rundheit, wenige Satellitenpartikel und nahezu keine Hohlpartikel aus. Diese Pulver haben sich in aktuellen Bereichen der fortschrittlichen Fertigung wie der additiven Fertigung und dem heißisostatischen Pressen als anerkannte Qualitätspulver etabliert.
Unterschiede zwischen Transferbogen- und Nicht-Transferbogen-Typen
PREP wird in Typen mit Übertragungslichtbogen und ohne Übertragungslichtbogen unterteilt. Das jeweilige Funktionsprinzip ist wie folgt: Beim Plasma-Lichtbogen mit Lichtbogenübergang wird ein direkter Leitungskanal zwischen dem Elektrodenstab und der Kathode hergestellt, um Plasma zu erzeugen. Sein Kernmerkmal besteht darin, dass das Plasma stabil zwischen der Kathode (Wolframelektrode) und der Anode (Metall) durchschlägt und einen Lichtbogen bildet, wie in Abbildung 1a dargestellt; Der Plasma-Lichtbogen ohne Übertragungslichtbogen (auch als Plasmabrenner bekannt) ist eine Entladungsform, die zwischen der negativen und der positiven Elektrode der Plasmapistole selbst entsteht, wobei das Metallwerkstück nicht an den Stromkreis angeschlossen ist, wie in Abbildung 1b dargestellt.
(a) Transferlichtbogen (b) Nicht-Transferlichtbogen
Plasmapistole
Übertragungslichtbogen: Der Plasmabogen am Elektrodenende weist eine hohe Temperatur (10.000 – 52.000 ℃) auf, wodurch die Herstellung von Pulvern aus hochschmelzenden Metallen möglich ist. Die Herstellung von Pulvern aus nichtleitenden Materialien ist damit jedoch nicht möglich.
Nichtübertragungslichtbogen: geeignet zur Herstellung von Legierungspulvern wie Hochtemperaturlegierungen und Titanlegierungen, kann jedoch auch zur Herstellung von Pulvern aus nichtmetallischen und nichtleitenden Werkstoffen verwendet werden.
Antriebssystem
- Übertragungsbogen: Wie in Abbildung 2a dargestellt, kommt das Direktantriebsverfahren mit einem Elektromotor zum Einsatz. Da der Motor direkt mit dem Stangenmaterial verbunden ist, liegt der normale Drehzahlbereich zwischen 15.000 und 22.000 U/min, wobei die maximale Drehzahl 30.000 U/min erreichen kann.
- Nichtübertragungsbogen: Es wird das Dreirollen-Antriebsverfahren verwendet, wie in Abbildung 2b dargestellt. Da der Durchmesser der Rollen größer ist als der des Stangenmaterials, ist die Drehzahl des Stangenmaterials höher als die des Motors. Der normale Drehzahlbereich liegt zwischen 25.000 und 40.000 U/min, wobei die maximale Drehzahl 50.000 U/min erreichen kann.
Vakuum-System
Übertragungsbogen: Durch den Einsatz einer dynamischen Abdichtung kann es während des Pulverherstellungsprozesses dazu kommen, dass Sauerstoff aus dem Antriebssystem in die Zerstäubungskammer entweicht, was zu einem Sauerstoffgehalt des Pulvers von weniger als 100 ppm führt.
Nichtübertragungsbogen: Die Konstruktion der Anlage gewährleistet, dass sich alle Systeme in einem geschlossenen und abgedichteten Zustand befinden, wodurch der Sauerstoffgehalt im Pulver auf unter 50 ppm begrenzt wird.
Zuführsystem
- Transferbogen: Das Zuführsystem ist meist über ein einziges Kabel angeschlossen, wie in Abbildung 2a dargestellt. Es ermöglicht keine automatisierte Zuführung und eignet sich für die Produktion kleiner und mittlerer Chargen (150 kg/Tag).
- Bogen ohne Materialwechsel: Durch den automatischen Zufluss aus dem entsprechenden Materialbehälter lässt sich eine hohe Produktionskapazität (1500 kg/Tag) erzielen. Zudem kann die Anlage mit Bogen ohne Materialwechsel Pulver für Stäbe unterschiedlicher Durchmesser aufbereiten, ohne dass Komponenten ausgetauscht werden müssen.
Schlussfolgerung
Die PREP-Technologie mit Transferlichtbogen und ohne Transferlichtbogen basiert auf unterschiedlichen Mechanismen zur Erzeugung des Plasmabogens, was zu sich ergänzenden technischen Eigenschaften führt: Der Transferlichtbogen-Typ eignet sich für hochwertige Sonderanfertigungen und die Aufbereitung von hochschmelzenden Metallen mit hoher Energiedichte, während der Nicht-Transferlichtbogen-Typ sich durch einen hohen Automatisierungsgrad und eine hohe Produktionskapazität auszeichnet, um den Anforderungen der großtechnischen industriellen Fertigung gerecht zu werden. Die technologische Weiterentwicklung beider Verfahren konzentriert sich auf die drei Kernziele “Erhöhung der Drehzahl und Leistung, Verfeinerung der Pulverpartikelgröße sowie Senkung der Herstellungskosten und Verbesserung der Qualität” und wird in Zukunft zu präziseren Anwendungsanpassungen in den Bereichen Luft- und Raumfahrt sowie Biomedizin führen.
